rok akademicki 1998/99	L A B O R A T O R I U M Z F I Z Y K I
nr ćwiczenia: 47	Charakterystyka fotoogniwa
wydział: mechaniczny kierunek: mechanika i budowa maszyn grupa: druga	imię i nazwisko: Cezary Jastrzębski
^data wykonania ćw.: 17.12.1998	Ocena		data zaliczenia	podpis
		teoria
		sprawozdanie

1. Zasada pomiaru

Fotoogniwa zaliczamy do urządzeń, w których realizowane jest bezpośrednie przekształcenie energii promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną. Fotoogniwa stanowią układy złożone z półprzewodników o odmiennym charakterze ich przewodnictwa elektrycznego lub półprzewodnika (typu p) i metalu.

W przypadku oświetlenia półprzewodnika typu p powstają pary elektron-dziura. W przypadku, kiedy odległość od miejsca powstania par do złącza p-n stanowi wielkość mniejszą od długości przesunięcia dyfuzyjnego, to pary te w wyniku dyfuzji dochodzą do złącza, gdzie rozdzielają się pod wpływem pola stykowego. Fotoelektrony (dla nich nie istnieje bariera potencjału) zostają przeniesione przez pole stykowe do półprzewodnika typu n, powodując nadmiarową w porównaniu do równowagowej koncentrację elektronów i ładują tę część półprzewodnika ujemnie.

Powstałe w wyniku oświetlenia dziury nie mogą przenikać w obszar typu n półprzewodnika, ponieważ musiałyby pokonać barierę potencjału złącza p-n. Zablokowane w ten sposób dziury ładują obszar typu p półprzewodnika dodatnio.

Wynika z tego, że rozdzielenie ładunków doprowadza do pojawienia się dodatkowej składowej pola elektrycznego, a zatem do powstania na złączu dodatkowej różnicy potencjałów, będącej dla zewnętrznego układu siłą elektromotoryczną. Powstała w ten sposób foto-SEM jest przyłożona w kierunku przewodzenia, co powoduje, że wysokość bariery potencjalnej odpowiednio zmniejsza się. Wielkość foto-SEM zależna jest od wartości strumienia świetlnego, padającego na fotoelement.

Ogólny wzór na foto-SEM ma postać:

Przy czym: j_t = eγBE; γ -ta część par które nie uległy rekombinacji i dotarły do złącza p-n; B - wydajność kwantowa, tzn. liczba par nośników wytworzonych przez jeden kwant; j_s - gęstość prądu w obwodzie , którego SEM jest wytworzona przez fotoogniwo.

W przypadku gdy j=0 i to wzór przyjmuje postać

Natomiast przy małym stopniu wzbudzenia wzór uprości się do postaci:

2. Schemat układu pomiarowego

3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów

Do pomiarów użyto:

a) opornik ΔR = 1 [kΩ]

b) miliamperomierz ΔI = 0,1 [μA]

c) podziałka do pomiaru odległości Δr = 0,005 [m]

d) miliwoltomierz ΔU = 1 [mV]

4. Tabele pomiarowe

tabela nr 1

Ucz [mV]	Uz [mV]	Un [mV]	r [m]	[]	Δ [ ]
220 214 205 197 191 182 176 169 165 159 153	215 221 204 183 180 170 168 160 155 148 130	100 96 88 77 72 68 64 59 57 53 50	0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40	25,00 20,66 17,36 14,79 12,76 11,11 9,77 8,65 7,72 6,92 6,25	1,25 0,94 0,72 0,57 0,46 0,37 0,31 0,25 0,21 0,18 0,16

Tabela nr 2

Rabc [kΩ]	I [μA]	ΔI	U [mV]	ΔU	P = U * I [μW]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1	2,1 2,4 2,6 3,0 3,5 4,1 4,9 6,2 8,3 12,4 12,9 13,6 14,3 15,0 15,8 16,6 17,5 18,5 19,4	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1	220 218 261 215 212 208 202 192 175 135 129 122 114 105 95 83 70 55 38	1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0	0,46 0,53 0,57 0,66 0,54 0,82 0,98 1,18 1,45 1,74 1,78 1,63 1,57 1,50 1,50 1,33 1,23 0,93 0,78

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej

Dane z tabeli nr 1:

Dane z tabeli nr 2:

6. Rachunek błędów

Obliczenie Δ tj. ΔE, (dane z tabeli nr 1)

• Błąd maksymalny mocy fotoogniwa obliczono za pomocą różniczki logarytmicznej

Dane z tabeli nr 2:

7. Zestawienie wyników pomiarów

dla doświadczenia pierwszego

Ucz [V]	Uz [V]	Un [V]	r [m]	[]
220,0 ± 1,0 214,0 ± 1,0 205,0 ± 1,0 197,0 ± 1,0 191,0 ± 1,0 182,0 ± 1,0 176,0 ± 1,0 169,0 ± 1,0 165,0 ± 1,0 159,0 ± 1,0 153,0 ± 1,0	215,0 ± 1,0 221,0 ± 1,0 204,0 ± 1,0 183,0 ± 1,0 180,0 ± 1,0 170,0 ± 1,0 168,0 ± 1,0 160,0 ± 1,0 155,0 ± 1,0 148,0 ± 1,0 130,0 ± 1,0	100,0 ± 1,0 96,0 ± 1,0 88,0 ± 1,0 77,0 ± 1,0 72,0 ± 1,0 68,0 ± 1,0 64,0 ± 1,0 59,0 ± 1,0 57,0 ± 1,0 53,0 ± 1,0 50,0 ± 1,0	0,20 ± 0.005 0,22 ± 0.005 0,24 ± 0.005 0,26 ± 0.005 0,28 ± 0.005 0,30 ± 0.005 0,32 ± 0.005 0,34 ± 0.005 0,36 ± 0.005 0,38 ± 0.005 0,40 ± 0.005	25,00 ± 1,25 20,66 ± 0,94 17,36 ± 0,72 14,79 ± 0,57 12,76 ± 0,46 11,11 ± 0,37 9,77 ± 0,31 8,65 ± 0,25 7,72 ± 0,21 6,92 ± 0,18 6,25 ± 0,16

dla doświadczenia drugiego

I [μA]	U [mV]	P = U * I [μW]
2,1 ± 1,0 2,4 ± 1,0 2,6 ± 1,0 3,0 ± 1,0 3,5 ± 1,0 4,1 ± 1,0 4,9 ± 1,0 6,2 ± 1,0 8,3 ± 1,0 12,4 ± 1,0 12,9 ± 1,0 13,6 ± 1,0 14,3 ± 1,0 15,0 ± 1,0 15,8 ± 1,0 16,6 ± 1,0 17,5 ± 1,0 18,5 ± 1,0 19,4 ± 1,0	220,0 ± 1,0 218,0 ± 1,0 261,0 ± 1,0 215,0 ± 1,0 212,0 ± 1,0 208,0 ± 1,0 202,0 ± 1,0 192,0 ± 1,0 175,0 ± 1,0 135,0 ± 1,0 129,0 ± 1,0 122,0 ± 1,0 114,0 ± 1,0 105,0 ± 1,0 95,0 ± 1,0 83,0 ± 1,0 70,0 ± 1,0 55,0 ± 1,0 38,0 ± 1,0	0,46 ± 0,02 0,53 ± 0,03 0,57 ± 0,02 0,66 ± 0,03 0,54 ± 0,03 0,82 ± 0,02 0,98 ± 0,03 1,18 ± 0,03 1,45 ± 0,04 1,74 ± 0,05 1,78 ± 0,05 1,63 ± 0,03 1,57 ± 0,05 1,50 ± 0,04 1,50 ± 0,05 1,33 ± 0,04 1,23 ± 0,05 0,93 ± 0,04 0,78 ± 0,04

8. Uwagi i wnioski

Podczas wykonywania ćwiczenia zaobserwowano, że wraz ze zmniejszaniem się odległości r tzn. źródła światła i elementu fotoelektrycznego (fotoogniwa) wzrasta napięcie prądu samo indukcyjnego w fotoogniwie. Każde dodatkowe oświetlenie padające na fotoogniwo miało wpływ na wartość napięcia.

7

---